В науката за материалите 2-D е новата 3-D.
Вакуумна камера за използване на рентгенова спектроскопия за измерване на материали. (Анастасия Сапон/The New York Times)
От Amos Zeeberg
През последните години устройствата, свързани с интернет, преминаха редица нови граници: кукли, хладилници, звънци на вратата, автомобили. Според някои изследователи обаче разпространението на „Интернет на нещата“ не е стигнало толкова далеч, колкото би трябвало.
„Ами ако можем да интегрираме електронни устройства в абсолютно всичко?“, каза наскоро Томас Паласиос, електроинженер на Масачузетски институт по технологии. „Ами ако събираме енергията от слънчеви клетки по магистралите и имаме вградени сензори за тежест в тунелите и мостовете за наблюдение на бетона? Ами ако можем да погледнем през прозореца и да видим прогнозата за времето през него? Или да сложа електронни устройства в палтото си, за да следя здравето си? ".
През януари 2019 г. Паласиос и колегите му публикуват статия в списанието Природата в която те описаха изобретение, което ще ни доближи малко до това бъдеще: антена, която може да абсорбира все по-гъстата мрежа, създадена от мобилни телефони, Wi-Fi и Bluetooth сигнали, за да я преобразува в използваема електрическа енергия.
Ключът към тази технология е обещаващ нов материал, наречен молибден дисулфид, или MoS2, който може да се отложи в слой с дебелина само 3 атома. В инженерния свят няма нищо по-тънко от това.
Инженерите от MIT създадоха малки електронни вериги, направени от графен, двуизмерна форма на въглерод. (Тони Луонг за The New York Times)
И тънкият е полезен. Например слой от MoS2 може да се увие около бюро и да се превърне в зарядно за лаптопи, няма нужда да използвате кабели.
От гледна точка на изследователи като Паласиос, двуизмерните материали ще бъдат опората на Интернет на всичко. Мостовете ще бъдат „боядисани“ и ще бъдат оформени сензори за наблюдение на напрежение и пукнатини. Те ще покрият прозорците с прозрачни слоеве, които ще станат видими само при показване на информация. Освен това, ако антената за поглъщане на радиовълните на вашето оборудване е успешна, тя ще се използва в електронните устройства, които винаги присъстват. Все повече и повече бъдещето изглежда плоско.
"Имаше експлозивен интерес", каза Джеф Урбан, изследовател на 2D материали в Лорънс Бъркли Молекулярна леярна на Националната лаборатория в Калифорния. „Няма друг начин да го характеризирам“.
Flat ще ви отведе навсякъде. 2D манията по химията започна през 2004 г., когато двама изследователи от университета в Ливърпул използваха целофанова лента, за да обелят слоеве въглерод с дебели атоми от парчета графит, образувайки графен. По своя състав графенът е идентичен с графита и диаманта, но неговата тънкост му придава много различни свойства: той е гъвкав, прозрачен и много здрав, както и изключителен топло- и електрически проводник.
Изследователите бързо се заеха да създават всякакви нови и подобрени устройства от този материал. Наскоро няколко компании пуснаха слухови апарати с диафрагми - мембраните, които вибрират и произвеждат звук в аудио устройства - направени от графен. Някои производители на бои добавят графен към своите формули, за да направят по-трайни покрития. Миналия октомври Huawei представи Mate 20 X, голям и мощен мобилен телефон, който се възползва от графена, за да помогне за охлаждането на процесора. Samsung използва графен за разработване на батерия с по-бързо зареждане, която може да бъде интегрирана в мобилните телефони в близко бъдеще.
Urban работи с 2D материали за подобряване на горивните клетки, които привлякоха вниманието като чист двигател за зелени превозни средства. Повечето горивни клетки генерират електричество от водород, но дори и под високо налягане, водородният газ заема много повече място от подобно количество бензин, което го прави непрактично за използване в автомобилите.
Разширеният източник на светлина в Бъркли, Калифорния, произвежда рентгенови лъчи, за да изследва атомната структура на материалите в 2-D. (Анастасия Сапон за The New York Times)
Вместо това Урбан интегрира водородните атоми в твърди материали, които са много по-плътни от газовете. През март той и колегите му обявиха нова среда за съхранение: малки кристали магнезий, обвити в тесни ленти, наречени графенови нанолистони. Според техните открития водородът се съхранява по този начин може да осигури почти толкова енергия, колкото същия обем нафта, но с много по-ниско тегло.
Урбан сравнява процеса с изпичането на бисквитки с шоколадови чипове: Магнезият ще бъде шоколадовият чип - ключовият елемент - защото съдържа водород. „Искаме шоколадова бисквитка, която има възможно най-много чипове“, каза той, а графеновите нанолистони правят страхотно тесто за бисквитки. Нанолистоните също помагат на водорода да се придвижва бързо и бързо от магнезиевите кристали, като същевременно изолира кислород, който се конкурира с водорода за пространството в кристалите.
На други фронтове изследователите вземат супер тънки слоеве материали и ги подреждат в триизмерни блокове, които имат свойства, различни от конвенционалните 2D и 3D материали.
Kwabena Bediako, химик от Калифорнийския университет, кампус в Бъркли, публикува проучване миналата година в списание Nature, в което той описва как той и колегите му са интегрирали литиеви йони между много слоеве двуизмерни материали, включително графен.
„Започнахме с парче хляб, сложихме малко майонеза, парче сирене и малко шунка“, каза той. „Можете да направите това колкото пъти искате и да създадете сандвич“.
Чрез промяна на различните слоеве в триизмерната клетка изследователите успяха да прецизират как материалите съхраняват литий, което може да доведе до разработването на нови батерии с голям капацитет за електронни устройства.
Все по-тънки Едно от местата, където процъфтяват двуизмерните материали, е Сингапур, в лабораторията на Liu Zheng в Nanyang Technological University. Сингапур е известен като градинския град и малката държава пламенно е запълнила терена си със зелени площи, включително университета, където градини са били поставени в свободни ъгли около модерните му сгради.
Джън смята, че изследванията му са друг вид култивиране. "Аз съм градинар", Той каза. „Има 2D градина с всякакви цветя. Те са красиви".
Миналата година Джън и колегите му разшириха драстично тази градина, като създадоха десетки нови двуизмерни материали от клас съединения, наречени халкогениди на преходни метали или TMC. Ключовото откритие беше използването на обикновена готварска сол за намаляване на температурата, при която металите обикновено се топят; което позволи на металите да се изпарят и да се утаят на тънки филми.
Технологичен университет Nanyang, Сингапур. "Аз съм градинар", каза д-р Джън. "Има 2-D градина, с всякакви цветя. Всички те са красиви." (Амос Зиберг)
„Един ден студент ми каза:„ Мога да направя всички TMC със сол “, каза Дженг. „Бях много изненадан. Това беше моята мечта в продължение на много години ".
Много TMC, включително MoS2, който Palacios използва за поглъщане на радиовълни, имат потенциал за различни промишлени цели. Платиновият селенид, произведен в лабораторията в Сингапур, може да се използва за създаване на по-евтини горивни клетки, които обикновено използват платина, благороден метал, за отделяне на протона на водородния атом от неговия електрон. Като изберете двуизмерен платинов селенид, количеството на използваната платина може да бъде намалено с 99 процента, обясни Дженг. Технологичният университет Nanyang преговаря с производителите относно комерсиализацията на тази технология. Бъдещето все още не е двуизмерно, но става все по-близо и по-близо.
„Виждам огромен търговски потенциал за този материалКаза Джън. „Можем да имаме голямо въздействие върху пазара“.
около 2020 г. Ню Йорк Таймс Компани